类球状闪电电磁孤子结构示意图
雷雨交加的夏日夜晚，一团诡异的发光火球悄然悬浮于空中，或飘入室内，或掠过田野，数秒乃至数分钟后消散——这便是球状闪电，自然界最神秘、最令人费解的电磁现象之一。
过去200多年，科学家始终无法回答一个核心问题：球状闪电这样一团空心而炽热的等离子体，何以不会瞬间炸开，反而能在空气中维持稳定形态？如今，这一谜团在上海的实验室里找到了关键线索。
依托大科学装置——上海超强超短激光实验装置“羲和”，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宋立伟、田野和李儒新团队，首次在国际上成功激发并捕获了一种与自然界球状闪电高度相似的球形发光体，并证实其本质为一种电磁孤子——太赫兹孤子。
近日，国际顶级学术期刊《自然·光子学》发表这一成果，不仅为破解百年悬案提供了关键实验证据，更揭示出极端电磁场能量自持约束的精妙物理机制。
实验室“吹”出毫米级“球状闪电”
球状闪电之所以成为科学上难啃的“硬骨头”，在于其行为与常识相悖——普通闪电转瞬即逝，而它却能在空中悠然漂浮，甚至穿透玻璃窗。
“球状闪电就像一个被雷电吹出的等离子体‘肥皂泡’，里面囚禁着一段电磁波，这就是一个巨大到宏观可见的电磁孤子。”田野解释，灼烧着的等离子体加热外部空气向内挤压，而内部电磁波则要冲破“肥皂泡”，两者相抗衡，形成了一种微妙的平衡，使球状闪电得以维持较长时间。
早在19世纪，英国物理学家法拉第就开始尝试破解这个谜团。近几十年来，科研工作者更想尽办法在实验室里制造出类似球状闪电的电磁孤子。不过，要捕捉并囚禁电磁波，难度极大。以往在实验室里，用近红外激光只能产生出微米级的电磁孤子，寿命仅皮秒级（10-12秒），只有极高速的科学相机才能拍摄下它们的身影。
羲和激光装置大楼（来源：“羲和”官网）
2017年，“羲和”激光装置在国际上首次实现10拍瓦激光放大输出，此后它一直雄踞全球同类装置的峰值功率榜首。“在‘羲和’上，我们发现，用飞秒激光驱动金属丝，可产生很强的表面波激光。”于是，田野产生了一个大胆想法——用波长接近毫米的表面波激光，来产生宏观可见的球状闪电。
要让毫米波激光“吹”出等离子体“泡泡”，所需激光功率极高。经过无数次实验，研究团队终于找到办法，将表面波导到纳米针尖，让表面波场强升到足够高，最终在实验室“吹”出直径近毫米的“球状闪电”，维持时间提升到百纳秒级（10-6秒）。
“这比之前的电磁孤子‘寿命’延长了100万倍!已能用普通相机拍下了。”宋立伟在第一次看到那团蓝白色小球时，兴奋得差点不相信自己的眼睛——这是世界上第一次成功在实验室捕获住太赫兹波，产生一个肉眼可见的太赫兹孤子。
稳定支持下做出“可能无用的研究”
自然界中，真正的球状闪电直径可达几十厘米。根据计算，用微波激发这样一个体积的球状闪电，所需能量基本与两块雷雨云层放电所产生的能量相当——球状闪电正是自然界所产生的宏观电磁孤子。
“虽然还有很大差距，但我们已经找到了路径。”田野相信，未来经过进一步探索，有可能在实验室“造”出直径厘米级、寿命长达数秒的电磁孤子。
若这个目标实现，他们团队想做的第一件事，是开设一个科普小实验现场，让中小学生都能来尝试一下用激光“吹泡泡”，感受一下“造”出小型球状闪电的神奇。
做这个研究有什么用？田野认为，这可能会启发未来的能量存储形式——这种孤子可作为一种全新“容器”，可用于存储极高能量的电磁辐射，为新型能量存储技术奠定基础。理论上，这种无容器储能方式所能达到的能量密度，远超现有电池或电容器。“若能成功创造和控制这种能量球，有望为解决能源问题提供新路径。”
太赫兹电磁孤子的受控产生
除了“羲和”激光装置这样的“国之重器”带来的顶尖实验环境，该研究团队还于2021年获得上海市科委首批“基础研究特区计划”为期5年的稳定支持。与国家自然基金委基础科学中心项目、青年科学基金A类、中国科学院稳定支持青年团队等支持一起，该资助使团队拥有了充分的科研定力。
“未来，它也可能为太赫兹光子学、聚变能源等领域开辟新的探索方向。”不过，田野坦言，它也是一项近期可能看来无用的研究，“正是在上海这片土壤，我们才敢于做出尝试”。
或许，“无用”会在某些时候成为“大用”。用大装置“造”球状闪电的好奇心，能成为上海这座城市创新与包容的一个剪影。
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